基于太赫兹频域光谱技术测定吡虫啉的浓度

陈 倩，秦坚源

(中国计量大学 机电工程学院 太赫兹研究所，浙江 杭州 310018)

吡虫啉作为常用农药，在农作物病虫害防治和抗病上有着广泛的应用。然而吡虫啉的不合理使用会导致其在农产品和环境中的残留超标，影响消费者食用安全。不同国家对吡虫啉的最大残留量有着不同的标准。在美国，吡虫啉的最大残留限量为0.05×10-6[1]，而在中国，吡虫啉的最大残留限量为0.5×10-6[2]。尽管有法律限制，农药滥用仍然成为一个严重的问题。

针对农药残留的问题，前人已经提出了几种测定不同基质中农药含量的方法。液相色谱法和气相色谱法是最常用的方法[3-5]，具有较高的灵敏度和良好的选择性，但是这些方法的样品预处理较复杂而且需要专业的操作。为了弥补液相色谱法和气相色谱法的缺陷，现在有用红外光谱和拉曼光谱等光谱法来检测农药的报道[6]。这些光谱技术具有不破坏样品和操作简单的优点，但也有无法提供分子间振动信息的缺点。因此，需要提出一种新的光谱方法来检测农药残留。

太赫兹(Terahertz，THz)光谱是一种介于微波和红外之间的电磁辐射，其频带范围从0.1 THz到10 THz(30 μm～3 mm)。与其他电磁波相比，太赫兹光谱具有高穿透、低能量和指纹特征等独特的性质[4，5]。由于太赫兹光谱的优越性，太赫兹光谱在环境检测[7]、食品分析[8]、和生物医学诊断等领域都得到广泛的应用，近年来，太赫兹光谱结合化学计量学的方法已经被应用于生物化学领域[9，10]的定性识别和定量分析中。太赫兹时域光谱(THz time-domain spectroscopy，THz-TDS)作为一种被广泛应用的太赫兹技术[11]，已经被应用于葡萄糖、盐酸[12]、氨基酸[13，14]、抗生素[15]、除草剂[16]的检测中。结果表明，这些物质在太赫兹范围内均具有指纹特征，可用于实现定性识别和定量分析。在农药检测领域中，CHEN Z等用THz-TDS对米粉中的吡虫啉进行了定量分析，证实了THz-TDS用于吡虫啉检测的可行性[6]。CAO B等用THz-TDS研究了吡虫啉和多菌灵在面粉中的共存情况，发现三元混合物的吸收峰存在偏差[17]。相比于THz-TDS，基于光子混频的太赫兹频域光谱(THz frequency-domain spectroscopy，THz-FDS)可以在较宽的光谱范围内提供更高的频率分辨率[18]，同时拥有在不使用傅立叶变换的情况下[19]可以获得样品光谱信息的能力，因此THz-FDS被认为是一种很有前途的化学分析技术[20]。WANG Y等用THz-FDS对土壤和鸡肉中的抗生素进行了定性识别和定量分析，验证了该技术用于基质中抗生素检测的可行性[15]。然而直到最近，还没有用THz-FDS对农药进行定性和定量检测的报道。

本研究采用THz-FDS对不同质量分数(%)的吡虫啉进行检测，得出吡虫啉的吸收峰。同时采用偏最小二乘回归算法对不同质量分数(%)的吡虫啉进行检测，并用校正均方根误差、交叉验证均方根误差、预测均方根误差和相关系数来评价模型的性能。

1 实 验

1.1 化学品和材料

吡虫啉(质量分数95%)购自上海润业生物公司(中国上海)，聚乙烯粉末(Polyethylene，PE)购自Sigma-Aldrich公司。

1.2 样品制备

纯农药样品只含有吡虫啉，二元混合物样品是在PE粉中混合不同比例的吡虫啉。二元混合物中的农药质量分数为0.5%～50%(0.5%、1%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、40%、50%)。样品制备过程如下，先用研钵将样品研磨成粉末，称取200 mg样品放入直径13 mm的圆形片剂模具中，然后用压片机施加6吨的压力并持续2 min。每种质量分数的吡虫啉制备三个样品，每个样品的厚度约为1 mm[6,15]。采用上述方法共制备了33个样品。

1.3 光谱测量

本次研究采用太赫兹频域光谱(TeraScan 1550，Toptica Photonics，德国)系统测量样品的太赫兹光谱，如图1。该系统包括两个分布式反馈激光器，一个太赫兹发射机，四个离轴抛物面反射镜，一个样品台，一个太赫兹信号接收机和一个信号处理系统。太赫兹发射机发射出信号，反射镜对信号进行准直与聚焦后，信号透过被测样本，被太赫兹接收机接受，最终在计算机上显示太赫兹光谱结果。由于先前报道中吡虫啉吸收峰位于0.89 THz且为了避开信噪比低的频段(低于0.4 THz)以及水的强吸收峰(1.1 THz和1.17 THz)从而获得更可靠的数据，所以本次研究选取在0.4～1.1 THz范围内检测吡虫啉样品。在实验过程中，保持室温并且环境相对湿度低于30%。

图1 太赫兹频域光谱系统原理图Figure 1 The schematic diagram of THz-FDS system

1.4 光谱分析

太赫兹信号被反射镜聚焦后，扫描样品得到频率和光电流幅值，样品的吸光度计算如下：

α=-lgT。

(1)

式(1)中，T是透过率，是通过在相同频率下比较样品和空气中的光电流幅度计算得到的。利用TOPAS软件(version 2.5.0.1870，Toptica Photonics，德国)和Origin软件(version 8.725.0.725，Origin Lab公司，美国)来处理光谱数据。

1.5 化学计量学分析

化学计量学已经成为定量分析的重要工具。本次研究采用偏最小二乘回归(Partial least squares regression，PLSR)建立预测模型[21-22]，用校正均方根误差(Root-mean-square error of calibration，RMSEC)、交叉验证均方根误差(Root-mean-square errors of cross-validation，RMSECV)、预测均方根误差(Root-mean-square error of prediction，RMSEP)和相关系数(Correlation coefficient of calibration model values，R)来评价PLSR模型的性能[23-25]。为了提高模型的精度，本次研究选用全光谱建模，建模前采用了S-G(Savitzky-Golay)平滑法对光谱进行了预处理，并用多散射校正消除建模前样品的散射。化学计量学的分析是通过TQ分析软件(version 8.3.0.125，赛默飞世尔科学公司，美国)和Origin软件(version 8.725.0.725，Origin Lab公司，美国)实现的。

2 结果和讨论

2.1 定性识别

图2为吡虫啉的吸收光谱图。从图2可以看出，吡虫啉在0.88 THz处存在一个明显的吸收峰。吸光度在0.65 THz开始增加，在0.88 THz时达到最大值2.27，随后在0.99 THz处，吸光度降到1.12。这一结果与先前报道中吡虫啉的吸收峰位于0.89 THz的结论几乎一致[6]。吡虫啉的吸收峰可能是其分子的振动模式引起的，可以作为指纹特征来进行定性分析[22]。

图2 吡虫啉的吸收光谱图Figure 2 Absorbance spectrum of the imidacloprid

2.2 定量分析

为了探讨THz-FDS定量检测吡虫啉的可能性，我们对不同质量分数的吡虫啉吸收光谱进行了详细分析。图3为PE粉中混合不同比例吡虫啉的吸收光谱图。由于PE粉在太赫兹频段内没有明显的吸收峰且具有很高的透过率，所以经常被用来作为物质浓度的稀释剂。当吡虫啉质量分数大于5%时，从图中可以清楚地分辨出吡虫啉在0.88 THz处的吸收峰，并且随着质量分数的增加，吸收峰变得越来越明显。但当吡虫啉质量分数低于1%时，由于吡虫啉含量较低，并没有出现明显的吸收峰。表1为不同质量分数吡虫啉在吸收峰处的吸光度值，从表1可以看出质量分数为5%～50%的吡虫啉吸收峰都在0.88 THz附近，且吸收峰处的吸光度会随着质量分数的增加而增加。虽然0.5%和1%处没有明显的吸收峰，但是在0.88 THz处吸光度依旧随着质量分数的增加而增加，可以根据其吸光度的不同将二者区别开来。最终结果验证了THz-FDS检测不同质量分数吡虫啉的可行性。

图3 不同质量分数吡虫啉的吸收光谱图Figure 3 The absorbance spectra of different concentrations of imidacloprid

表1 不同质量分数吡虫啉在吸收峰处的吸光度值Table 1 Absorbance values of Imidacloprid with different concentrations at the absorption peak

接着，建立了吡虫啉吸收光谱的PLSR模型来进一步评价THz-FDS定量检测吡虫啉含量的可行性。模型包含10种不同质量分数的二元混合物样品(0.5%、1%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、40%、50%)，每个质量分数制备3个样品，共30个样品。在模型中，7个不同质量分数(5%、10%、15%、20%、25%、30%、40%)的二元混合物样本用作预测集，其余23个不同质量分数(0.5%、1%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、40%、50%)的二元混合物样本用作校准集。图4为PLSR模型的结果，图4(a)为了PLSR模型预测的计算值和吡虫啉浓度的实际值的差异。对角线虚线表示实际值与预测值之差为0。结果表明，所有数据点的分布都非常接近对角线虚线，表明该模型的精度很高。图4(b)为模型中不同质量分数吡虫啉的误差，模型中的校准集和预测集样本均接近零误差线，实际值和计算值之间的误差小于0.08，这证实了PLSR用于吡虫啉的定量分析具有一定的可靠性。PLSR模型具有较高的R值(0.96)和较低的均方根误差(RMSEC=2.8%，RMSECV=11%，RMSEP=12.8%)。结果表明，THz-FDS结合化学计量学具有检测吡虫啉浓度的潜力。

图4 PE粉中吡虫啉含量的PLSR分析图Figure 4 PLSR analysis of imidacloprid in the PE

3 结 论

本次研究采用了THz-FDS结合PLSR模型的方法来检测吡虫啉及其质量分数(%)得到了吡虫啉在0.88 THz的吸收峰，并且获得了不同质量分数的吡虫啉的吸收光谱。PLSR的建模结果表明THz-FDS结合PLSR模型的方法能预测吡虫啉的含量，证实了THz-FDS定性和定量检测吡虫啉的可行性。我们下一步的研究工作将会围绕如何提高太赫兹频域光谱高灵敏检测农药残留来展开，以期进一步提高检测灵敏度，从而达到实际应用的需求。